擠壓處理對青稞粉質(zhì)構(gòu)性質(zhì)及消化性的影響

劉萍，徐慧靜

（天津市食品安全檢測技術(shù)研究院，天津300308）

青稞富含功能性營養(yǎng)成分，如β-D-葡聚糖、原花青素、黃酮醇、黃酮和醌類等，有利于預(yù)防各種疾病，如糖尿病，高血壓和其它心血管疾病[1]。

青稞原料的質(zhì)構(gòu)特性對其終產(chǎn)品的食用品質(zhì)有較大的影響，其中糊化性質(zhì)是影響青稞在食品中利用的關(guān)鍵性質(zhì)之一。淀粉糊化有許多種方法，不同的糊化處理會導(dǎo)致青稞粉微觀結(jié)構(gòu)、宏觀性質(zhì)和消化過程的變化。螺桿擠壓是最常見的連續(xù)混合操作。螺桿擠壓的主要優(yōu)點之一在于其靈活性：可根據(jù)需要而改變機筒溫度、螺桿轉(zhuǎn)速等物理參數(shù)，對擠出物料的品質(zhì)進行調(diào)整[2]，通常在5 s～10 s內(nèi)完成擠壓操作，最長只需1 min，其溫度可達200℃，食品物料在由熱、剪切和壓力的組合下被擠壓熟化[3]。這種高溫高壓處理下得到的食品原料，可最大程度提高食品的可消化率、降低酶活；而對食品的有害影響，如褐變、營養(yǎng)損失往往很小。因此擠壓處理已被用于有效改善不同植物來源全粉及淀粉的功能特性，并增強其營養(yǎng)價值[4]。有學者研究發(fā)現(xiàn)，隨著擠壓過程中水分的增加，淀粉糊化和有機物的體外消化率降低[5]。此外，增加物料的水分含量可提高淀粉峰值糊化溫度和糊化程度，同時縮小糊化溫度范圍降低淀粉的糊化焓[6]。據(jù)報道，擠壓過程可改變混合大米-豆粕的體外消化率[7]，大豆粉的增加或水分含量的降低會導(dǎo)致蛋白質(zhì)體外消化率增加。體外消化試驗表明，提高擠壓處理原料中的可溶性β-葡聚糖含量則有助于提高的擠出物中慢消化淀粉的含量[8]。在擠出后觀察到β-葡聚糖和可溶性膳食纖維含量增加，而不溶性膳食纖維含量顯著下降[9]。Masatcioglu研究了擠壓蒸煮對高直鏈玉米淀粉中酶抗性淀粉（resistant starch，RS）形成的影響[10]。

目前對于擠壓后青稞的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)變化及擠壓處理對青稞粉消化性的影響還未見報道，本文應(yīng)用擠壓技術(shù)處理青稞粉，研究擠壓處理對青稞粉的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)，如糊化、微觀結(jié)構(gòu)的影響，并對擠壓青稞粉的消化性進行評價，以期為擴大青稞原料的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

青稞粉（品種為白青稞，其含水率9.3%，粗蛋白10.2%，粗脂肪3.5%，淀粉74.4%）：青?？灯丈锟萍脊煞萦邢薰?。胃蛋白酶（酶活2 000 U/g）、唾液淀粉酶（酶活1 200 U/g）：Sigma公司；氫氧化鉀（分析純）：北京化工廠；醋酸鈉（分析純）：天津市北方天醫(yī)化學試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

快速黏度分析儀（Techmaster）：瑞典波通；掃描式電子顯微鏡（KYKY-EM6000C）：日本日立公司；旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機（SLG30-IV）：中國山東濟南賽百諾科技發(fā)展有限公司。

1.3 方法

1.3.1樣品制備和試驗設(shè)計

將青稞粉過80目篩，按照試驗要求調(diào)節(jié)水分后，送入同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機（螺桿直徑D為32 mm，長徑比L/D=11，?？谥睆綖椋?5 mm）。擠壓膨化后，將獲得的擠壓膨化條破碎成小段，置于40℃烘箱中烘干3 h～4 h，之后用高速破碎機粉碎成粉末狀原料備用。

1.3.2 糊化度測定

糊化是指淀粉分子在水溫升至53℃以上時，淀粉分子溶脹、分裂成均勻的糊狀溶液的過程。參照文獻[11-12]研究方法，準確稱取青稞粉0.2 g（過80目篩）于200 mL錐形瓶中，加入98 mL蒸餾水，搖晃均勻后，加入2 mL 10 mol/L的KOH溶液，磁力攪拌5 min后離心（3 500r/min 20min）。準確量取上清液0.2 mL于100 mL錐形瓶中，加0.2 mL 0.2 mol/L HCl溶液，再加入15 mL蒸餾水稀釋，最后加入0.2 mL碘溶液，震蕩均勻，在600 nm紫外分光光度計下測定吸光度，此時得到吸光度值A(chǔ)1。

另準確稱取青稞粉0.2 g 200 mL錐形瓶中，加入95 mL蒸餾水，搖晃均勻，加5 mL 10 mol/L的KOH溶液，磁力攪拌5min后離心（3 500r/min 20min）。準確量取上清液0.2 mL于100 mL錐形瓶中，加入0.5 mol/L HCl溶液0.2 mL中和，再加入15 mL蒸餾水稀釋，最后加入0.2 mL碘溶液，震蕩均勻，在600 nm紫外分光光度計下測定吸光度，此時得到吸光度值A(chǔ)2。

1.3.3 膨化度測定

膨化度是指青稞粉送入擠壓膨化機進行膨化前與膨化后的體積比。這個比例越小，膨化度越高。取同一青稞粉擠壓膨化后的產(chǎn)品，隨機取用不同位置的膨化條，采用游標卡尺測定其直徑，每個樣品隨機測定20次，取平均值，除以擠壓機?？谥睆剑玫桨氤善窂较蚺蚧?。計算公式如下：

式中：d1為擠壓半成品的直徑，cm；d0為擠壓機膜孔直徑，cm。

1.3.4 水溶性指數(shù)（water solubility index，WSI）和吸水性指數(shù)（water absorption index，WAI）測定

將擠壓膨化后的半成品打粉后，過80目篩備用。

準確稱取原青稞粉或擠壓產(chǎn)品2.0 g，置于己知恒重的離心管中，加入25 mL蒸餾水震蕩，直至產(chǎn)品粉末完全分散于水中。在30℃水浴鍋中保溫30 min，每10 min振蕩一次。4 000r/min離心30min后取上清液，傾倒于已知恒重的平皿中，于105℃的烘箱中蒸發(fā)干燥，至恒重[13]。水溶性指數(shù)和吸水性指數(shù)按下式計算：

式中：WSI為水溶性指數(shù)；WAI為吸水性指數(shù)；W0為青稞粉質(zhì)量，g；W1為離心管質(zhì)量，g；W2為平皿質(zhì)量，g；W3為平皿和上清液質(zhì)量之和，g；W4為離心管和沉淀質(zhì)量之和，g。

1.3.5 淀粉體外消化特性測定

分別稱量200 mg的擠壓前后的青稞粉于100 mL錐形瓶中；加入300 μL唾液淀粉酶溶液，震蕩5 min；加入15 mL胃蛋白酶，放于水浴恒溫震蕩器中，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速20 r/min、溫度37℃反應(yīng)30 min。在反應(yīng)混合物中加入15 mL 0.02 mol/L氫氧化鈉溶液；加入25 mL無酶醋酸鈉緩沖溶液后，再加入10 mL復(fù)合酶溶液。在37℃下繼續(xù)反應(yīng)12 h，在3、6、9、12 h分別取1 mL反應(yīng)液；然后于10 000 r/min離心10 min；將上清液在沸水浴中滅酶10 min，冷卻后用葡萄糖氧化酶法測定反應(yīng)液中葡萄糖含量。測3次，取平均值，并繪制消化曲線。

1.3.6 快速黏度分析（rapid viscosity analysis，RVA）曲線測定

RVA參數(shù)由RVA-4分析儀（Newport Scientific Pvt.Ltd，Sweden）在預(yù)熱30 min后根據(jù)提供的Thermocline軟件通過標準方法2分析樣品來確定。

1.3.7 電鏡掃描

擠壓前后的樣品用鋒利單面刀片切取，粘在樣品臺上，噴金，通過KYKY-EM6000C型掃描電子顯微鏡觀察并照相（5 kV）。

1.4 統(tǒng)計分析

所有試驗至少進行3次平行試驗。結(jié)果表示為平均值±標準偏差。使用統(tǒng)計分析系統(tǒng)（Chi-cago，IL，USA，Version 22.0）進行統(tǒng)計學分析。選擇方差分析（ANOVA）來分析數(shù)據(jù)。p＜0.1的概率被認為是統(tǒng)計學上顯著的。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分含量，料筒溫度和螺桿轉(zhuǎn)速對青稞粉糊化度的影響

調(diào)節(jié)擠壓過程中物料的水分含量，機筒溫度和螺桿轉(zhuǎn)速，以研究其對青稞粉擠出特性的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 擠壓過程參數(shù)對青稞粉糊化度的影響Fig.1 Effect of exclusion parameters on gelatinization degree of extruded barley powder

從圖1（a）中可以看出，隨著物料的含水量增加，產(chǎn)品的糊化度先上升后下降，在水分含量為15%時達到最大值。分析其原因是當物料水分含量相對較高時，機筒內(nèi)物料黏度隨著物料濕度的增加而降低，使其停留在擠壓腔體內(nèi)的時間減少，并且在進入模口處時，不能實現(xiàn)合適的高溫高壓的狀態(tài)，致使糊化度降低，與前人研究基本一致[14]。

從圖1（b）中可以看出，糊化度隨溫度升高呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，在140℃時達到峰值。原因可能是當溫度達到120℃～140℃時，溫度和濕度條件是合適的，并且淀粉分子的裂解程度較好，從而實現(xiàn)最大的糊化度。

從圖1（c）可以看出，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，糊化度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，當螺桿轉(zhuǎn)速為125 r/min時，糊化度最高。原因可能是過高的轉(zhuǎn)速導(dǎo)致物料在機筒內(nèi)停留時間較短，并且物料來不及吸收足夠的熱量就沖出?？?，導(dǎo)致無法在高溫高壓狀態(tài)下，達到良好的糊化度。

2.2 水分含量、料筒溫度和螺桿轉(zhuǎn)速對青稞粉糊化度的交互影響

設(shè)計綜合試驗以分析探討水分含量、料筒溫度和螺桿轉(zhuǎn)速對青稞粉糊化度的交互影響，結(jié)果見表1、表2。

表1 青稞粉擠壓熟化方法條件L9（34）正交試驗設(shè)計及結(jié)果Table 1 L9（34）orthogonal array design and results of extrusion conditions of barely powder

表2 擠壓過程各參數(shù)交互影響的方差分析結(jié)果Table 2 Results of variance analysis

由表2的極差分析可知，3個因素對青稞粉擠壓熟化方法的糊化度的影響大小依次為物料水分含量（A）＞螺桿轉(zhuǎn)速（C）＞機筒溫度（B），其中物料水分含量和螺桿轉(zhuǎn)速對糊化度的影響顯著。在設(shè)計試驗范圍內(nèi)，優(yōu)化得到最有利于青稞粉糊化效果的過程參數(shù)為A1B3C3，即物料水分為13%、機筒溫度為160℃、螺桿轉(zhuǎn)速為150 r/min，在此條件下進行驗證試驗，得到青稞粉的糊化度達到94.8%。

2.3 擠壓條件對青稞粉擠壓特性的影響

研究水分含量、料筒溫度和螺桿轉(zhuǎn)速對擠壓后青稞粉的膨脹比、WSI和WAI的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 擠壓過程參數(shù)對青稞粉膨的影響Fig.2 Effect of exclusion parameters on expansion ratio of extruded barley powder

從圖2可以看出，青稞擠壓產(chǎn)品的膨化度隨著物料含水量的增加先上升后下降，在水分含量為17%時達到最大值。當物料含水量低于17%時，由于物料內(nèi)部缺乏足夠的游離水，青稞粉在出?？跁r難以迅速氣化從而產(chǎn)生膨化氣孔。當物料含水量高于17%時，半成品的膨化度急劇下降，文獻顯示[15]這可能是因為物料表面存在過量的游離水，結(jié)合水無法遷移出物料內(nèi)部，使物料難以膨化。

WSI隨著物料水分含量的增加呈先上升后下降的趨勢，而吸水性指數(shù)（WAI）呈先上升后下降的趨勢。當水分含量逐漸增加時，擠壓腔體內(nèi)物料黏度降低，停留時間縮短，物料受到的剪切力減弱。粗纖維、蛋白質(zhì)和淀粉等大分子物質(zhì)的裂解程度低，產(chǎn)生的水溶性物質(zhì)減少[16]；大分子破損程度的降低和暴露在外的吸水性成分的減少伴隨著WAI的下降[17]。

青稞擠壓產(chǎn)品的膨化度隨著機筒溫度的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，半成品的膨化度急劇增加，當溫度高于140℃時膨化度下降，但趨于平緩。原因可能是當溫度逐漸升高時（＜140℃），物料的熔融態(tài)加速，并且在剪切力的作用下，淀粉顆粒發(fā)生破損，膨化更容易發(fā)生；但是當溫度再次升高（＞140℃），物料在此水分含量下可能吸收的熱量增加，不能達到比較良好的熔融態(tài)，且在高溫下，物料易發(fā)生焦糖化反應(yīng)，導(dǎo)致膨化度降低[18]。

WSI和WAI隨溫度增加呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，均在140℃時達到峰值?？赡苁且驗榍囡齼?nèi)淀粉、蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)在140℃左右受到的剪切力最佳，裂解程度最佳，暴露在外的親水物質(zhì)增加，因此WSI達到最大；而此條件下得到的擠壓粉內(nèi)充滿較大的孔隙，水分更容易進入淀粉顆粒中，淀粉顆粒開始吸水膨脹，故WAI也達到最佳。隨著溫度的持續(xù)升高，高溫會導(dǎo)致焦糖化反應(yīng)加速，導(dǎo)致WSI和WAI降低[19]。

青稞擠壓產(chǎn)品的膨化度隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢（75 r/min～150 r/min）。原因可能是，在低轉(zhuǎn)速下青稞粉受到的剪切作用、摩擦作用等機械力較弱；而隨著轉(zhuǎn)速增加，物料在擠壓腔體中受到的這兩種力又會逐漸增加[20]，當達到一個相對合適的值時（125 r/min左右），就會導(dǎo)致部分直鏈淀粉和支鏈淀粉發(fā)生裂解，淀粉分子間的氫鍵作用被削弱[21]，分子骨架的自由空間加大，膨化度增加；如果螺桿轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，過快的轉(zhuǎn)速就會導(dǎo)致青稞粉受到的機械力強度過大，反而出現(xiàn)“重組”現(xiàn)象，即斷裂的淀粉分子又在高強度的外力下重新聚集，導(dǎo)致膨化度降低；然而，在175 r/min時發(fā)生回彈，這可能與擠壓機的不穩(wěn)定狀態(tài)有關(guān)，導(dǎo)致此條件下出現(xiàn)膨化度增加。

隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，WSI和WAI呈先增加后降低的趨勢，在轉(zhuǎn)速為125 r/min時達到最大值。結(jié)果表明在高螺桿轉(zhuǎn)速的情況下，青稞粉在機筒內(nèi)受到較大的剪切作用[22]，并且一些大分子物質(zhì)如淀粉、蛋白質(zhì)等發(fā)生裂解，水溶性成分增加，親水物質(zhì)暴露，吸水指數(shù)增加。

2.4 青稞粉擠壓前后RVA曲線對比

RVA曲線可以反映谷物粉的糊化特性。通常，由黏性耗散引起的熱效應(yīng)和由于高剪切應(yīng)力引起的機械效應(yīng)都會引起聚合物的物理化學變化。擠出前后大麥粉末的粘貼性能和RVA凝膠化特性如圖3所示。

圖3 青稞粉擠壓前后RVA曲線對比Fig.3 RVA curve of barley powder before and after extrusion

糊化溫度是淀粉糊化容易度的指標。從圖3中可以看出，擠壓前的青稞粉的糊化溫度為66.85℃；回升值反應(yīng)了淀粉的凝膠化能力或回生程度，松懈值與膨脹淀粉粒的強度有關(guān)，反映了淀粉的穩(wěn)定性。青稞粉的松懈值為1 564 cp，青稞粉的松懈值相對于小米和大米的值相對較低，這表明青稞粉在糊化后相對穩(wěn)定[23]。然而與擠壓前后青稞粉的高峰黏度和松懈值對比，擠壓粉的該兩組數(shù)值明顯高于擠壓處理前的數(shù)值，結(jié)果表明，經(jīng)過擠壓處理后的青稞粉中，蠟質(zhì)淀粉含量增加，而蠟質(zhì)淀粉中直鏈淀粉含量較低[24]，糊化起始時間越早，也就是說，當蠟質(zhì)淀粉含量增加時，糊化溫度相應(yīng)降低，并且高峰黏度和松懈值相應(yīng)增高。

2.5 青稞粉擠壓前后微觀結(jié)構(gòu)對比

對青稞粉及其擠壓粉進行電鏡掃描，觀察擠壓熟化方法對其微觀結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果見圖4。

擠壓處理之后，青稞粉發(fā)生變化，原有的顆粒狀態(tài)喪失，變?yōu)楹＞d狀、多孔狀態(tài)。從圖4可以看出，未經(jīng)擠壓處理的青稞粉大多呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)較為緊密的包裹狀的橢圓形或圓形，推測此形態(tài)與機械損傷有關(guān)。而經(jīng)過擠壓處理后，擠壓產(chǎn)品大多表現(xiàn)出不規(guī)則的鱗片狀，并且?guī)缀醪淮嬖谠瓉淼耐暾螒B(tài)。這可能是因為，青稞粉物料在高溫、高壓、高剪切力的作用下形成一種凝膠狀態(tài)，當它突然釋放到常壓時，凝膠狀態(tài)的物料內(nèi)的水分突然汽化消失，并且體積迅速膨脹變大，使物料形成疏松多孔的海綿體，這與許亞翠[25]的研究結(jié)果基本一致。

2.6 青稞粉擠壓前后消化性評價

青稞粉及其擠壓產(chǎn)品的消化速率測定結(jié)果見表3。

表3 擠壓處理對青稞粉淀粉消化特性的影響Table 3 Effect on the digestion characteristics of barley powder by extrusion processing

從表3中可以看出，在消化過程中的前3 h，原青稞粉與擠壓粉在葡萄糖釋放速率方面存在非常顯著的差異，一直持續(xù)到第3小時。在0 h～3 h的時間段內(nèi)，與原青稞粉相比，青稞擠壓粉的消化速率明顯較高（p＜0.05）。結(jié)果表明，擠壓處理后的青稞粉具有明顯的易消化特性，這可能是由于擠壓處理后青稞粉內(nèi)部發(fā)生結(jié)構(gòu)上的改變。

3 結(jié)論

本文通過研究擠壓處理對青稞粉的糊化度、膨脹率、水溶性指數(shù)、吸水指數(shù)、質(zhì)構(gòu)性質(zhì)及消化性的影響，得出對青稞粉熟化特性最有效的擠壓處理過程參數(shù)為物料水分含量為13%、機筒溫度為160℃、螺桿轉(zhuǎn)速為150 r/min，在此條件下的青稞擠壓粉的糊化度為94.50%。與擠壓前的青稞粉相比，擠壓后的青稞粉微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，原有的雜糧顆粒緊密包裹狀態(tài)喪失，變成海綿多孔狀態(tài)。根據(jù)RVA分析，擠壓后的青稞粉糊化溫度降低，而峰值黏度和松懈值顯著升高，谷值黏度、最終黏度、回生值、高峰時間均有所下降，RVA特性顯示青稞粉擠壓后變得更穩(wěn)定并且更容易糊化。因此，在這些擠出條件下的青稞粉具有較為理想的物理化學性質(zhì)和糊化特性以及體外消化特性，適合應(yīng)用于食品中。